Spatial Proteomics and Epigenomics Reveal Cell Morphology and Epigenetic Gene Regulation in Human Hippocampus

ヒトの脳は、数十億もの細胞がコミュニケーションを取り合いながら記憶、感情、思考を生み出す、広大で複雑な景観です。何十年もの間、科学者たちはこの領域をマッピングしようと試みてきましたが、根本的な問題に直面してきました。それは、内部の細胞を研究するためには、しばしばそれらをバラバラに解体しなければならないということでした。街のレイアウトを理解するために、建物をレンガの山へと粉砕し、色ごとに分類することを想像してみてください。あなたはレンガの素材については学べるかもしれませんが、通りや近隣地域、そして建物同士がいかに相互作用しているかという情報は失ってしまうでしょう。これが従来の脳研究で行われていたことです。遺伝的指示を読み取るために細胞を分離することで、研究者はその細胞がどこに住んでいたのか、どのように配置されていたのかという極めて重要な文脈を見失っていたのです。さらに、科学者は細胞核内の遺伝的な「設計図」を読むことはできても、タンパク質が脳の日常的な機能を実行する場所である、細胞表面で起きている活発な「建設作業」を見逃してしまうことがよくありました。

ある研究チームは、海馬（メモリと気分に不可欠な、脳の深部にあるタツノオトシゴのような形をした領域）を破壊することなく観察することにより、これらの問題を解決する新しい種類の地図を作り上げました。高度なイメージング技術の一群を用いることで、彼らは単にどのような遺伝子が存在するかだけでなく、それらがどこで活性化しており、どのようなタンパク質が表面にあり、DNAが遺伝子の働きを許可したりブロックしたりするようにどのようにパッケージ化されているかを示す、この領域における初の詳細な三次元アトラスを作成しました。彼らは健康な個人と、うつ病を発症した人々の両方の組織を研究し、「細胞の近隣地域」とその遺伝活動がこれら2つのグループ間でどのように異なるかを明らかにしました。この研究は、脳の構造に対するより明確な視界を提供し、細胞の健康度は、その細胞自身の内部指令と同じくらい、その位置や隣人と共に依存していることを示しています。

研究者たちはまず、精神疾患の既往歴のない9名を含む、計17名の個人の脳組織を調査することから始めました。彼らは、抑うつ状態の人において萎縮したり変化したりすることが知られている構造である海馬に焦って注力しましたが、組織の自然な構造を壊すことなく行いました。脳をスープ状にする代わりに、彼らは空間プロテオミクスと呼ばれる手法を用いました。これは、特定のタンパク質に蛍光マーカーでタグ付けをし、組織のスライスに対して数千枚の高解像度写真を撮影する方法です。これにより、彼らは160万個以上の個別の細胞を調べることができ、形状や表面のタンパク質によってそれらを識別できました。信号を運ぶニューロン、およびニューロンを支持・絶縁するアストロサイトやオリゴデンドロサイト、そして脳をパトロールする免疫細胞を区別することができたのです。組織が無傷のまま維持されたため、各細胞タイプが正確にどこに生息しているかを確認でき、海馬のさまざまな層や領域の精密なマップを作成することができました。

最も驚くべき発見の一つは、細胞がいかにして独特の「近隣地域」を形成しているかという点でした。健康な脳では、特定の細胞タイプが支配するエリアがあり、それが海馬の既知の解剖学的構造と一致する明瞭な境界線を形成していました。例えば、新しい記憶を形成するために重要な領域である歯状回は、小さく密度の高いニューロンがぎっしりと詰まっており、一方でCA領域は異なるタイプのニューロンや支持細胞で満たされていました。しかし、研究者がうつ病患者の脳を見たとき、細胞間の距離が変化していることを見出しました。具体的には、脳の掃除屋として機能するマイクログリアとして知られる免疫細胞が、健康な脳よりも、うつ病の脳においてはニューロンにより近い場所に存在していたのです。これは、うつ病においては、これらの免疫細胞がニューロンに向かって移動しており、正常な脳機能を妨げる炎症やストレスを引き起こしている可能性があることを示唆しています。この研究は、この移動がうつ病の原因であることを証明したわけではありませんが、以前には不可能であった方法で、免疫系とニューロンとの間の具体的な視覚的つながりを示しました。

細胞が実際に何を行っているかを理解するために、チームはタンパク質のマップと、細胞内の遺伝メッセージ、すなわちRNAを読み取る技術を組み合わせました。彼らはこれらのメッセージの「速度（ベロシティ）」を調べましたが、これは遺伝子がオンになっているのか、オフになっているのか、あるいは単に定常状態を維持しているのかを知るための方法です。彼らは、健康な脳では、複雑な情報の処理に関与するCA領域の細胞が高いレベルの遺伝活動と迅速なメッセージのターンオーバーを示していることを発見しました。一方、うつ病の人々の脳では、この活動が不安定になっていました。特にCA領域のニューロンにおいて、新しい遺伝的メッセージと成熟したメッセージのバランスが混沌としたものになっていました。これは、うつの脳における細胞が、通常の通信リズムを維持することに苦労しており、おそらくストレスに適応しようとしているものの、安定した状態を見つけられずにいることを示唆しています。

研究者たちはまた、DNAの上に載っており、どの遺伝子が読み取り可能になるかを決定する化学的タグのシステムであるエピゲノムについても調査しました。DNAを「図書館の本」とするならば、エピゲノムはどの本がテーブルの上に出され読める状態にあり、どの本が書庫の中に閉じ込められたままであるかを決めるものです。「spatial ATAC-seq」を用いた手法を使用し、チームは海馬全体におけるこれらの開いている領域と閉じている領域をマッピングしました。彼らは、健康な脳では、特定の転写因子によって活性化される準備ができている箇所で、一部のニューロンのDNAが「オープン」であることを発見しました。例えば、歯状回の顆粒ニューロンのDNAは、新しい記憶の形成に関わるFOSという遺伝子を素早く活性化できるようにプライミングされています。しかし、うつ病の脳では、これらの開閉パターンが変容していました。神経伝達物質の輸送やシナプス可塑性に関連する遺伝子は、異なるアクセスのパターンを示していました。これは、これらの細胞が新しい経験やストレスに応答する能力自体が、DNAのパッケージ化の方法によって根本的に変わっていることを意味します。

研究はまた、脳がどのように情緒や記憶回路を調節しているかという長年の問いにも取り組みました。開放されたクロマチン領域と特定の遺伝子の活動を比較することで、研究者たちは、健康な脳と抑うつ状態の脳の間で異なる主要な制御因子を特定しました。彼らは、CREB5やFOSといった、記憶形成に関わるとされる転写因子が、海馬の領域に応じて異なる活動パターンを持つことを発見しました。CA領域では、クロマチンが開いており、ニューロンが刺激を受けやすく信号に対応できる状態でしたが、他の領域ではDNAがより閉じた状態となっていました。うつ病の脳では、これらのパターンが崩れており、これは細胞が単に異なる量のタンパク質を作っているだけでなく、遺伝的なアクセスのレベルで根本的に再編されていることを示唆しています。これは、なぜある人は特定の記憶や気分の回路に組み込まれやすいのに、別の人はそうではないのかについて、分子生物学的な説明を与えるものです。

この仕事は、微細な世界の遺伝子と、巨視的な世界の脳構造との間の溝を埋めることにより、ヒトの脳を理解するための大きな前進となります。組織を無傷の状態に保ったことで、研究者たちは細胞の物理的な配置がどのように遺伝活動に影響を与えるかを見ることができました。彼らは、うつ病が決して少数の細胞における単純な化学的不均衡ではなく、細胞コミュニティ全体の構成、および遺伝的指示へのアクセス方法の変化による複雑な現象であることを示しました。160万個以上の細胞データを含む彼らの作成したアトラスは、他の科学者が健康時および疾患時の脳の研究を行うためのリファレンスとなるものです。この研究はうつ病の治療法を提供するものではありませんが、そこに起こっている生物学的な変化のより鮮明な姿を描き出し、将来の研究のための新たな標的を提供しています。今回の知見は、脳を真に理解するためには、それを生きている有機的な風景として捉える必要があり、そこでは細胞の位置こそが、その細胞が持つ遺伝子と同様に重要であることを示唆しています。